CN106840200B - 一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，属于惯性仪表技术领域。该系统包括三浮仪表陀螺摆、控制器、矩阵开关、磁悬浮前放解调电路、程控电阻电路、采集模块。系统通过矩阵开关控制整个流程，采用PXI数据采集模块对输出数据自动采集，依据经验设计调配算法，程序控制电阻进行迭代调配，用以完成三浮惯性仪表的湿对中调试，确定10路惠斯顿电桥程控电阻，实现浮子机械零位与电气零位的重合。本发明实现了湿对中自动化、智能化调配，调配精度高，并具有故障诊断功能，对机械本体工作状况给出及时判断，对提高装配效率、及早发现精密仪表装配故障意义重大。

Description

一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统

技术领域

本发明涉及一种三浮惯性仪表湿对中系统，特别是一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，属于惯性仪表技术领域。

背景技术

三浮惯性仪表正常工作时，通过磁悬浮控制系统实现浮子位置精确定中。由于两两相对磁悬浮元件参数(尺寸精度、线圈匝数、磁性能等)不可能理想对称，磁悬浮电气零位与机械零位存在偏差。所以，需要调整磁悬浮电气零位，消除磁悬浮电气零位与机械零位的偏差。

目前，传统消除磁悬浮电气零位与机械零位的偏差的做法，涉及(1)人工调整电位计进行配调，调试繁琐，其输出值受环境影响大，准确度低；(2)调配过程数据判读、执行、换算均由人工完成，智能化水平低，且过度依赖工人熟练程度，测量结果受环境及人为因素影响较大，因人为因素导致的错误时有发生；(3)三浮惯性仪表浮子处于高温浮液中，浮子被拉至极限位置后，需断电，断仪表与电路连接，并迅速测量浮子处于极限位置时磁悬浮线圈电感。因整个断开并测量过程需要一定时间，浮子此时不受力，会产生缓慢漂移，影响电感测量准确度。

另外，三浮仪表因其结构精密，磁悬浮元件装配及诊断极为重要。当前三浮仪表生产线仅采集了极限位置电感，没有系统的分析评价体系，并生成有效诊断结果来指导装配生产。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，采用智能化控制方法，替代人工操作，迭代调配程控电阻，消除磁悬浮电气零位与机械零位的偏差，实现高效、准确、基本实现一键式自动调配。

本发明的技术解决方案是：一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，该系统包括三浮仪表陀螺摆、程控电阻电路、控制器、矩阵开关、磁悬浮前放解调电路、采集模块，其中：

三浮仪表陀螺摆，包括5对磁悬浮线圈，每对磁悬浮线圈在加力电流的驱动下产生磁悬浮电磁力，驱动浮子实现五个自由度方向的运动；

程控电阻电路，包括5对阻值可调的程控电阻，每对程控电阻与三浮仪表陀螺摆的各方向上的每对磁悬浮线圈串并联连接，形成的5个慧斯顿电桥；

控制器，根据预设的开关控制流程，向矩阵开关输出开关控制指令和选通控制指令；针对每个方向对应的慧斯顿电桥，接收采集模块发送的磁悬浮前放解调电路输出电压值、三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的正、负极限位置电感值；根据磁悬浮线圈处于极限位置时磁悬浮前放解调电路输出电压值，计算机械零位偏差和目标电压值，根据机械零位偏差和目标电压值，调整慧斯顿电桥中程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；同时，测量记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间，根据该运动时间和磁悬浮线圈处于极限位置时两个线圈的电感值，进行故障检测；

矩阵开关，响应开关控制指令，将轴向加力电源或者径向加力电源与相应的磁悬浮线圈连接，为指定的磁悬浮线圈供电；将慧斯顿电桥差动电压信号接入至磁悬浮前放解调电路；根据选通控制指令，生成选通信号，输出至磁悬浮前放解调电路；将磁悬浮前放解调电路的输出电压端或者磁悬浮线圈电感检测端与采集模块电压检测端连通，进行相应的信号采集；

磁悬浮前放解调电路，分别产生轴向加力电源和径向加力电源输出至矩阵开关；接收三浮仪表陀螺摆的各个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对所形成的慧斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号的控制下，将其中一路慧斯顿电桥输出的差动电压信号放大、解调和滤波，得到直流电压输出至矩阵开关，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号；

采集模块，采集磁悬浮前放解调电路输出电压或者三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的极限位置电感值，并实时发送至控制器。

所述磁悬浮前放解调电路包括径向加力电源电路、轴向加力电源电路、多路选通开关、放大解调电路，其中：

径向加力电源电路，产生径向加力电流输出，用于为径向磁悬浮线圈供电；

轴向加力电源电路，产生轴向加力电流输出，用于为轴向磁悬浮线圈供电；

多路选通开关电路，接收三浮仪表陀螺摆的五个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对形成的五路慧斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号的控制下，选择其中差动电压信号输出至放大解调电路；

放大解调电路，将多路选通开关电路选通得到的一路慧斯顿电桥输出的差动电压进行放大、解调和滤波，得到直流电压输出，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号。

在三浮惯性仪表浮子运动的每个方向上的磁悬浮线圈对所对应的程控电路阻值采用如下步骤进行调配：

(1)、将矩阵开关所有端子设置为断开状态，同时将磁悬浮线圈对相应的可调程控电阻R1和R2设置初始值，使之与磁悬浮线圈等效电阻阻值相同；

(2)、为磁悬浮线圈对中的正线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的正线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到正向极限位置，采集并记录浮子移动到正向极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U1；

(3)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于正方向极限位置时磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L1+、L1-；

(4)、断开磁悬浮线圈对中的正线圈供电，为磁悬浮线圈对中的负线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的负线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到负向极限位置，采集并记录浮子移动到极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U2，同时记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1；

(5)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于负方向极限位置时，磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L2+、L2-；

(6)、计算磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3：和磁悬浮前放解调电路的目标电压值U2’：U2’＝U2+U3，所述U0为磁磁悬浮线圈对直流偏置；

(7)、根据步骤(6)计算得到的磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调整R1和R2，之后，测量磁悬浮前放解调电路的输出电压，然后，根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；

(8)、根据步骤浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向正向极限位置时正线圈及负线圈电感L1+、L1-，浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向负向极限位置时正线圈及负线圈电感L2+、L2-及浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1参数对三浮惯性仪表进行故障判断，当三浮惯性仪表存在故障时，步骤(7)所确定的程控电阻阻值无效，当三浮惯性仪表无故障时，则认为步骤(7)所确定的程控电阻阻值即为磁悬浮控制系统中该磁悬浮线圈对所对应的湿对中系统的电阻阻值。

所述故障判断依据为：当|(L1+)-(L1-)|>电感门限或|(L2+)-(L2-)|>电感门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件或磁悬浮线圈故障；对于径向线圈：当|T1-T0j|>运行时间门限时，对于轴向线圈：|T1-T0z|>运行时间门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件安装行位超差或定转子间有多余物，所述T0j为浮子在径向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间，所述T0z为浮子在轴向向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间。

根据磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调整R1和R2的具体计算方法为：

当U3大于0时，保持R1不变，将R2的值增加ΔR作为新的R2，当U3小于0时，保持R2不变，将R1的值增加ΔR作为新的R1；所述ΔR为阻值增量，其满足如下关系式：

式中，R_L1及R_L2为浮子处于机械零位时正向线圈及负向线圈等效阻值；u为电桥激磁电压有效值，k为放大解调电路增益；

根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值的具体步骤为：

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”大于等于目标电压值U2’时，则将R1减去Δ作为新的R1，所述为微调步长；

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”小于目标电压值U2’时，则R1增加Δ作为新的R1。

所述微调步长Δ为程控电阻的最小可调间隔。

所述电感门限为大于等于2mH。

所述运行时间门限为大于等于60min。

步骤(8)中所述预设的范围为[-0.01V,0.01V]内。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明引入智能化概念，上位机代替手工操作，设计调配算法，迭代调配程控电阻，极限电感自动测量，实现智能化湿对中调配。

(2)、本发明采用矩阵开关实现自动化工艺流程，一方面自动切换10路磁悬浮调配，另一方面能够自动切断仪表与测控电路的连接，以便进行浮子极限电感测量，自动化程度高，基本实现一键式操作，降低操作难度，降低出错率。

(3)、本发明通过采集浮子运动时间、极限位置电压及电感，对仪表工作状况给出判断，使系统带故障诊断功能；

(4)、本发明PXI程控系统更加开放，用统一的、先进的和高度标准化的架构搭建系统，可随时根据需求增加或减少功能模块；

(5)、本发明采用高精度、大量程、小步长的程控电阻进行调配，可满足多种仪表磁悬浮参数需求，具有很强扩展性。

(6)、本发明所采用的程控电阻能够快速自动精确回读、记录电阻值，排除了电位计时间漂移或人为误操作导致阻值改变等因素影响。

(7)、本发明给出一种三浮惯性仪表磁悬浮故障诊断方法，通过采集浮子在一个轴向，四个径向方向的运动时间、极限位置电压及电感，综合经验数据，生成故障判据，能够对磁悬浮定转子间是否有多余物，充油过程定、转子相对位置有无改变的工作状况进行判断。充分发挥磁悬浮系统在仪表内部“电子眼”作用。

附图说明

图1为三浮惯性仪表湿对中系统硬件方案示意图；

图2为三浮惯性仪表磁悬浮系统机械本体结构示意图；

图3为三浮惯性仪表湿对中系统磁悬浮前放解调电路功能图；

图4为三浮惯性仪表湿对中系统磁悬浮前放解调电路示意图；

图5为三浮惯性仪表湿对中系统ZX路调试流程图；

图6为三浮惯性仪表湿对中系统程控电阻调配方法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1为三浮惯性仪表磁悬浮系统机械本体结构示意图。图中示出ZX、ZY、YX、YY、Z五个方向，对应共10路磁悬浮线圈，其中Z向为轴向，其余4个方向为径向。湿对中系统服务于磁悬浮控制系统，其目的是确定磁悬浮控制系统中与每个三浮惯性仪表匹配的惠斯顿电桥程控电阻，并诊断五个方向上浮子装配情况，对多余物及仪表充油过程造成的定转子相对安装位置变化等异常情况进行及时诊断。

本发明提供了一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，该湿对中系统通过调整5对RL差动惠斯顿电桥的程控电阻，来消除磁悬浮电气零位与机械零位存在的偏差，从而确定磁悬浮控制系统中的5对RL差动惠斯顿电桥的程控电阻。

如图2所示，一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，包括三浮仪表陀螺摆、控制器、矩阵开关、磁悬浮前放解调电路、程控电阻电路、采集模块，控制器、磁悬浮前放解调电路、数据采集模块、三浮仪表陀螺摆均与矩阵开关相连，通过矩阵开关相互连通或者断开，其中：

三浮仪表陀螺摆，包括5对磁悬浮线圈，每对磁悬浮线圈在加力电流的驱动下产生磁悬浮电磁力，驱动浮子实现五个自由度方向的运动；

程控电阻电路，包括5对程控电阻，每对程控电阻与三浮仪表陀螺摆的各个方向上的每对磁悬浮线圈串并联连接，形成的5个慧斯顿电桥；总共需要10个程控电阻，采用两个Pickering公司9路PXI程控电阻卡A和B实现,程控电阻为阻值能精确回读的可调电阻，可调范围(1-6.75k)Ω，调配精度达0.5Ω，接收控制器输出的阻值增量，调节电阻；

控制器，采用NI公司PXI控制器PXIe-8840实现，作为系统核心构建基于PXI架构协议的硬件体系，实现调配算法及人机交互，根据预设的开关控制流程，向矩阵开关输出开关控制指令和选通控制指令；针对每个方向对应的慧斯顿电桥，接收采集模块发送的磁悬浮前放解调电路输出电压值、三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的正、负极限位置电感值；根据磁悬浮线圈处于极限位置时磁悬浮前放解调电路输出电压值，计算机械零位偏差和目标电压值，根据机械零位偏差和目标电压值，调整慧斯顿电桥中程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；同时，测量记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间，根据该运动时间和磁悬浮线圈处于极限位置时两个线圈的电感值，进行故障检测；

矩阵开关，采用Pickering公司33*16PXI矩阵开关40-542-021(3)实现，响应开关控制指令，将轴向加力电源或者径向加力电源与相应的磁悬浮线圈连接，为指定的磁悬浮线圈供电；将慧斯顿电桥差动电压信号接入至磁悬浮前放解调电路；根据选通控制指令，生成选通信号A0、A1、A2，输出至磁悬浮前放解调电路；将磁悬浮前放解调电路的输出电压端或者磁悬浮线圈电感检测端与采集模块电压检测端连通，进行相应的信号采集；

磁悬浮前放解调电路，分别产生轴向加力电源和径向加力电源输出至矩阵开关；接收三浮仪表陀螺摆的各个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对所形成的慧斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号A0、A1、A2的控制下，将其中一路慧斯顿电桥输出的差动电压信号放大、解调和滤波，得到直流电压输出至矩阵开关，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号；

采集模块，采用NI公司数据采集模块PXI4072实现，采集磁悬浮前放解调电路输出电压或者三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的极限位置电感值，并实时发送至控制器。

上述带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统基于PXI(PCI extensionsfor Instrumentation)程控技术，PXI程控技术是面向仪器系统的PCI扩展，一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。硬件由矩阵开关、程控电阻及前放解调电路搭建，控制器采用一套适用于PXI架构的调配算法，实现程控电阻迭代调配，极限电感自动测量。由控制器控制矩阵开关实现自动化工艺流程，程控电阻卡代替人工调整电位计，经验判据及边界条件注入软件，实现智能化调配过程。PXI程控系统更加开放，用统一的、先进的和高度标准化的架构搭建系统，可随时根据需求增加或减少功能模块；用高精度、大量程、小步长的程控电阻进行调配，可满足多种仪表磁悬浮参数需求，具有很强扩展性。

如图3所示，矩阵开关为16行33列的矩阵，接入矩阵开关的信号包括：陀螺摆上10路磁悬浮线圈(ZX+、ZX-、ZY+、ZY-、YX+、YX-、YY+、YY-)，磁悬浮前放电路输出电压、磁悬浮前放电路多路选通控制端A0、A1、A2、磁悬浮前放电路轴径向加力电源输出、高/低电平信号源、数据采集卡电压检测端、数据采集卡电感检测端等信号，由矩阵开关控制各信号线间通断。

矩阵开关行阵列上的ZZ、YZ、ZX+、ZX-、ZY+、ZY-、YX+、YX-、YY+、YY-、连接陀螺摆上10路磁悬浮线圈；列阵列上的ZZ、YZ、ZX+、ZX-、ZY+、ZY-、YX+、YX-、YY+、YY-连接磁悬浮前放电路；连接行和列上的ZZ或者YZ、可以将磁悬浮线圈中的ZZ或者YZ接入到磁悬浮前放电路中，行阵列上的X1：5V和X1：GND连接磁悬浮前放电路的高、低电平；行阵列上的X1：DC连接磁悬浮前放电路的输出信号U1；列阵列上的Fzx1和Fzx2连接磁悬浮前放电路的R3和R4端点，将Fzx1、Fzx2分别与ZX+、ZX-相连接即可实现为轴向磁悬浮线圈供电的功能，列阵列上的Fjx1和Fjx2连接磁悬浮前放电路的R5和R6端点，将Fjx1和Fjx2分别与X+、ZX-或者ZY+、ZY-或者YX+、YX-或者YY+、YY-相连接即可实现为相应的径向磁悬浮线圈供电的功能；列阵列上的A0、A1、A2连接磁悬浮前放电路，用于控制磁悬浮前放电路的选通。

如图4和图5所示，磁悬浮前放解调电路包括磁悬浮前放解调电路包括径向加力电源电路、轴向加力电源电路、多路选通开关、放大解调电路，其中：

径向加力电源电路，产生径向加力电源输出，用于为径向磁悬浮线圈供电；轴向加力电源由电源5.5V经过轴向加力限流电阻对(R3、R4)产生，三浮仪表陀螺摆的轴向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对形成的慧斯顿电桥的输出端分别连接R3、R4的一端，R3、R4的另一端连接电源正端(+5V)；

轴向加力电源电路，产生轴向加力电源输出，用于为轴向磁悬浮线圈供电；轴向加力电源由电源5.5V经过轴向加力限流电阻(R5、R6)产生，三浮仪表陀螺摆的径向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对形成的慧斯顿电桥的输出端分别连接R5、R6的一端，R5、R6的另一端连接电源正端(+5V)；轴向(Z向)和径向(ZX、ZY、YX、YY向)电阻值不同，R3、R4分别为51Ω和51Ω，R5、R6分别为39Ω和39Ω。

多路选通开关电路，接收三浮仪表陀螺摆的五个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对形成的五路慧斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号A0、A1、A2的控制下，选择其中差动电压信号输出至放大解调电路；

放大解调电路，将多路选通开关电路选通得到的一路慧斯顿电桥输出的差动电压进行放大、解调和滤波，得到直流电压输出，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号。

磁悬浮前放解调电路主要有以下功能：(1)将10路磁悬浮线圈及10路PXI程控电阻连接成5路慧斯顿电桥；(2)将浮子5个方向的位移转换成电压信号；(3)、输出高(+5V)、低(0V)电平两种信号供矩阵开关使用，矩阵开关通过将多路选通控制端A0、A1、A2连接至高或低电平，实现5路位移信号的选通，功能表见表1，若第一路被选通，则电路输出电压为第一路电压值；(4)输出轴向及径向加力电源，为磁悬浮线圈提供加力电流。

表1 A0、A1、A2选通功能表

A0	A1	A2	选通情况
				低	低	低	ZX路选通
低	低	高	ZY路选通
				低	高	低	YX路选通
低	高	高	YY路选通
				高	低	低	Z路选通

图5为三浮惯性仪表湿对中系统磁悬浮前放解调电路示意图。图中仅给出径向ZX路和轴向Z的惠斯顿电桥，实际电路中有5个电桥接入多路选通电路。

其中R1和R2位于PXI程控电阻卡上，是本系统需要最终调配确定的电阻。L1和L2分别代表正向和负向磁悬浮线圈，位于三浮仪表陀螺摆内，R3和R4为限流电阻。共有3部分功能：(1)AD698为5路惠斯顿电桥提供激磁信号，如果浮子产生ZX正向位移，则ZX正向线圈电感L1变大，负向线圈电感L2变小，在激磁调制作用下，线圈阻抗随之变化，通过电桥差动输出为交流信号Uo。矩阵开关将多路选通开关控制端“A0、A1、A2”分别接通过“低、低、低”电平，选通ZX路信号发送至放大解调电路(2)放大解调电路由AD620及AD698组成。将信号按一定比例放大，并解调成直流电压作为本电路输出；(3)为磁悬浮线圈提供加力电源。因轴、径向线圈电阻大小不一，需要的加力电流不同。电路通过不同限流电阻分别为轴向和径向提供加力电源，对于四路径向线圈可以共用同样的限流电阻R5、R6。

三浮惯性仪表浮子运动的每个方向上，磁悬浮线圈对所对应的程控电路阻值调配方法相同，图6为三浮惯性仪表湿对中系统ZX(径向)路调试流程图。

如图6所示，上述三浮惯性仪表湿对中系统ZX(径向)路程控电阻调配流程包括如下步骤：

(1)、将矩阵开关所有端子设置为断开状态，同时将磁悬浮线圈对相应的程控电阻R1,R2设置初始值，使之与磁悬浮线圈等效电阻阻值相同；例如，磁悬浮线圈等效电阻阻值为750欧，则将程控电阻阻值设置为750欧；

(2)、为磁悬浮线圈对中的正线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的正线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到正向极限位置，采集并记录浮子移动到正向极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U1；具体为：

因本系统传感器及加力的执行元件同为磁悬浮线圈，故采用1s分时复用线路进行电流施加及位置电压检测，即给线圈加力时不检测电压U1，检测U1时断开加力，如此反复进行。根据经验判据，将“连续10s内电压波动在±0.01V即认为浮子已接近极限位置”作为到达位置边界的条件。

(3)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于正方向极限位置时磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L1+、L1-；

(4)、断开磁悬浮线圈对中的正线圈供电，为磁悬浮线圈对中的负线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的负线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到负向极限位置，采集并记录浮子移动到极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U2，同时记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1；

(5)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于负方向极限位置时，磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L2+、L2-；

采集电压和电感值通过接通矩阵开关中磁悬浮前放解调电路输出电压信号与采集模块的采集信号和接通磁悬浮线圈的电感信号与采集模块的采集信号获得，这样，只需要少量的开关阵列点就可以实现多处信号采集，节约了开关阵列的资源。

(6)、计算磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3：和磁悬浮前放解调电路的目标电压值U2’：U2’＝U2+U3，所述U0为磁磁悬浮线圈对直流偏置；

(7)、根据步骤(6)计算得到的磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调配R1和R2，之后，测量磁悬浮前放解调电路的输出电压，然后，根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；所述预设的范围为[-0.01V,0.01V]内。

所述根据磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调整R1和R2的具体计算方法为：

当U3大于0时，保持R1不变，将R2的值增加ΔR作为新的R2，当U3小于0时，保持R2不变，将R1的值增加ΔR作为新的R1；所述ΔR为阻值增量，其满足如下关系式：

式中，R_L1及R_L2为浮子处于机械零位时正向线圈及负向线圈等效阻值；

u为电桥激磁电压有效值，k为放大解调电路增益；

以下举例说明确定调配阻值的计算方法。假设R_L1＝R_L2＝R1₀＝R2₀＝750Ω，u＝1.6V，k＝50。当需要输出偏压为负时，说明a点电压低于b点需通过增大电阻R1提高a点电压，使得a点和b点电压相等，相反，当需要输出偏压为负时，说明a点电压高于b点需通过增大电阻R2提高b点电压，使得a点和b点电压相等，设需调整的阻值为ΔR，电路输出电压。ΔR与电桥输出零位偏差电压ΔU1传递关系如下所示：

实际浮子移动范围测得输出偏压范围为[-2.5V,2.5V]，由此可得ΔR范围为[0Ω，100Ω]，则式(1)可近似等效为：

例如U3计算值为-1.9V，则固定R2且调配R1，计算ΔR＝71.25Ω，则调配阻值R1、R2分别为821.25Ω、750Ω。

所述根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值的具体步骤为：

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”大于等于目标电压值U2’时，则将R1减去Δ作为新的R1，所述为微调步长；；

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”小于目标电压值U2’时，则将R1增加Δ作为新的R1；所述Δ为微调步长。所述微调步长Δ为程控电阻的最小可调精度。当程控电阻的最小可调精度为0.1Ω时，调配步长统一设定为0.1Ω。

例如：采集电路输出电压U2”，若此时输出电压U2”≥U2’，则将R1调为(821.25-0.2)Ω，若U2”<U2’,则将R2调为(750+0.2)Ω,再次测量磁悬浮前放解调电路的输出电压，然后，根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，在该程控电阻值调整值的基础上，再次微调程控电阻，再次测量磁悬浮前放解调电路的输出电压，计算磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻，如此循环迭代调整，直到输出电压值较计算值电压差值在±0.01V范围内。

(8)、根据步骤浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向正向极限位置时正线圈及负线圈电感L1+、L1-，浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向负向极限位置时正线圈及负线圈电感L2+、L2-及浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1参数对三浮惯性仪表进行故障判断，当三浮惯性仪表存在故障时，步骤(7)所确定的程控电阻阻值无效，当三浮惯性仪表无故障时，则认为步骤(7)所确定的程控电阻阻值即为磁悬浮控制系统中该磁悬浮线圈对所对应的湿对中系统的电阻阻值，回读程控电阻卡阻值可以确定两桥臂湿对中电阻阻值R1、R2。

所述故障判断依据为：当|(L1+)-(L1-)|>电感门限或|(L2+)-(L2-)|>电感门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件或磁悬浮线圈故障；对于径向线圈：当|T1-T0j|>运行时间门限时，对于轴向线圈：|T1-T0z|>运行时间门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件安装行位超差或定转子间有多余物，所述T0j为浮子在径向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间，所述T0z为浮子在轴向向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间。所述电感门限为大于等于2mH，所述运行时间门限为大于等于60min。

其中，T0j、T0z分别为径向和轴向运动标准时间，由经验数据得出。T1j和T1z为湿对中过程测得的径向和轴向运动时间。据表2诊断机械结构工作情况，若有超差项则诊断陀螺摆机械结构存在异常。

表2基于信号差值的故障诊断逻辑表

单路调配结束后，依此流程进行ZY路、YX路、YY路、Z路电阻调配及工况诊断。

本发明说明书未作详细描述部分属于本领域公知常识。

Claims (10)

1.一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于包括三浮仪表陀螺摆、程控电阻电路、控制器、矩阵开关、磁悬浮前放解调电路、采集模块，其中：

三浮仪表陀螺摆，包括5对磁悬浮线圈，每对磁悬浮线圈在加力电流的驱动下产生磁悬浮电磁力，驱动浮子实现五个自由度方向的运动；

程控电阻电路，包括5对阻值可调的程控电阻，每对程控电阻与三浮仪表陀螺摆的各方向上的每对磁悬浮线圈串并联连接，形成的5个惠斯顿电桥；

控制器，根据预设的开关控制流程，向矩阵开关输出开关控制指令和选通控制指令；针对每个方向对应的惠斯顿电桥，接收采集模块发送的磁悬浮前放解调电路输出电压值、三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的正、负极限位置电感值；根据磁悬浮线圈处于极限位置时磁悬浮前放解调电路输出电压值，计算机械零位偏差和目标电压值，根据机械零位偏差和目标电压值，调整惠斯顿电桥中程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；同时，测量记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间，根据该运动时间和磁悬浮线圈处于极限位置时两个线圈的电感值，进行故障检测；

矩阵开关，响应开关控制指令，将轴向加力电源或者径向加力电源与相应的磁悬浮线圈连接，为指定的磁悬浮线圈供电；将惠斯顿电桥差动电压信号接入至磁悬浮前放解调电路；根据选通控制指令，生成选通信号，输出至磁悬浮前放解调电路；将磁悬浮前放解调电路的输出电压端或者磁悬浮线圈电感检测端与采集模块电压检测端连通，进行相应的信号采集；

磁悬浮前放解调电路，分别产生轴向加力电源和径向加力电源输出至矩阵开关；接收三浮仪表陀螺摆的各个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对所形成的惠斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号的控制下，将其中一路惠斯顿电桥输出的差动电压信号放大、解调和滤波，得到直流电压输出至矩阵开关，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号；

采集模块，采集磁悬浮前放解调电路输出电压或者三浮仪表陀螺摆内磁悬浮线圈的极限位置电感值，并实时发送至控制器。

2.根据权利要求1所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于所述磁悬浮前放解调电路包括径向加力电源电路、轴向加力电源电路、多路选通开关、放大解调电路，其中：

径向加力电源电路，产生径向加力电流输出，用于为径向磁悬浮线圈供电；

轴向加力电源电路，产生轴向加力电流输出，用于为轴向磁悬浮线圈供电；

多路选通开关电路，接收三浮仪表陀螺摆的五个方向上的磁悬浮线圈对和相对应的程控电阻对形成的五路惠斯顿电桥输出的差动电压信号，在选通信号的控制下，选择其中差动电压信号输出至放大解调电路；

放大解调电路，将多路选通开关电路选通得到的一路惠斯顿电桥输出的差动电压进行放大、解调和滤波，得到直流电压输出，并向相应的惠斯顿电桥提供激磁信号。

3.根据权利要求1所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于在三浮惯性仪表浮子运动的每个方向上的磁悬浮线圈对所对应的程控电路阻值采用如下步骤进行调配：

(1)、将矩阵开关所有端子设置为断开状态，同时将磁悬浮线圈对相应的可调程控电阻R1和R2设置初始值，使之与磁悬浮线圈等效电阻阻值相同；

(2)、为磁悬浮线圈对中的正线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的正线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到正向极限位置，采集并记录浮子移动到正向极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U1；

(3)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于正方向极限位置时磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L1+、L1-；

(4)、断开磁悬浮线圈对中的正线圈供电，为磁悬浮线圈对中的负线圈供电，使线圈产生电磁力，拉动浮子向该指定磁悬浮线圈对中的负线圈所对应的方向移动，直到浮子移动到负向极限位置，采集并记录浮子移动到极限位置对应的磁悬浮前放解调电路输出电压信号U2，同时记录浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1；

(5)、断开磁悬浮线圈与磁悬浮前放解调电路的电气连接，测量浮子处于负方向极限位置时，磁悬浮线圈对中的正线圈及负线圈极限位置电感L2+、L2-；

(6)、计算磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3：和磁悬浮前放解调电路的目标电压值U2’：U2’＝U2+U3，所述U0为磁悬浮线圈对直流偏置；

(7)、根据步骤(6)计算得到的磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调整R1和R2，之后，测量磁悬浮前放解调电路的输出电压，然后，根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值，直至磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值之差在预设的范围内；

(8)、根据步骤(3)浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向正向极限位置时正线圈及负线圈电感L1+、L1-，浮子处于磁悬浮线圈对所对应方向负向极限位置时正线圈及负线圈电感L2+、L2-及浮子从正极限位置移动到负极限位置的运动时间T1参数对三浮惯性仪表进行故障判断，当三浮惯性仪表存在故障时，步骤(7)所确定的程控电阻阻值无效，当三浮惯性仪表无故障时，则认为步骤(7)所确定的程控电阻阻值即为磁悬浮控制系统中该磁悬浮线圈对所对应的湿对中系统的电阻阻值。

4.根据权利要求3所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于所述故障判断依据为：当|(L1+)-(L1-)|>电感门限或|(L2+)-(L2-)|>电感门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件或磁悬浮线圈故障；对于径向线圈：当|T1-T0j|>运行时间门限时，对于轴向线圈：|T1-T0z|>运行时间门限时，认为三浮惯性仪表磁悬浮元件安装行位超差或定转子间有多余物，所述T0j为浮子在径向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间，所述T0z为浮子在轴向线圈驱动下从正极限位置移动到负极限位置的标准运动时间。

5.根据权利要求3所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：根据磁悬浮线圈对的机械零位偏差U3，调整R1和R2的具体计算方法为：

当U3大于0时，保持R1不变，将R2的值增加ΔR作为新的R2，当U3小于0时，保持R2不变，将R1的值增加ΔR作为新的R1；所述ΔR为阻值增量，其满足如下关系式：

式中，R_L1及R_L2为浮子处于机械零位时正线圈及负线圈等效阻值；u为电桥激磁电压有效值，k为放大解调电路增益。

6.根据权利要求3所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：根据磁悬浮前放解调电路的输出电压与目标电压值的偏差，微调程控电阻阻值的具体步骤为：

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”大于等于目标电压值U2’时，则将R1减去Δ作为新的R1，所述Δ为微调步长；

当磁悬浮前放解调电路的输出电压U2”小于目标电压值U2’时，则R1增加Δ作为新的R1。

7.根据权利要求6所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：所述微调步长Δ为程控电阻的最小可调间隔。

8.根据权利要求4所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：所述电感门限为大于等于2mH。

9.根据权利要求4所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：所述运行时间门限为大于等于60min。

10.根据权利要求3所述的一种带故障诊断的三浮惯性仪表自动化湿对中系统，其特征在于：步骤(7)中所述预设的范围为[-0.01V,0.01V]内。